基于MSP430的微电阻测试仪的设计

张安莉， 谢 檬， 王 娟

(西安交通大学 城市学院，陕西 西安 710018)

基于MSP430的微电阻测试仪的设计

张安莉， 谢 檬， 王 娟

(西安交通大学 城市学院，陕西 西安 710018)

传统测量微电阻的方法操作繁琐，且引线电阻和触点电阻对测量结果影响较大。本文设计的基于交流恒流源激励的微电阻测试仪由交流激励源、数字移相电路、信号调理电路以及A/D转换与显示电路等四部分组成。微电阻由交流激励源注入交流信号后通过高阻低噪声运算放大器AD620提取响应信号，再经过锁相放大电路测得其真实的响应电压，锁定后的信号克服了内部噪声和外部电磁干扰的影响，能够实现对微小电阻的准确测量。通过对样机的测试和比对标称值，该测试仪工作稳定，具有较高的测量准确度，方便携带和使用。

信号处理； 微电阻测量； AD630锁相环； 低功耗

0 引 言

在工业生产和科学研究中，经常遇到微小电阻的测量问题，也经常把电阻率测量当成一种对材料的结构和物质形态变化进行监测的手段[1]。例如，在军事、工业和民用中对蓄电池内阻的测量。蓄电池的内阻大小是反映它能否正常提供电流输出的重要参数。由于蓄电池内阻为mΩ级，一般的指针和数字万用表无法测出[2，3]。微电阻测量的传统方法有电桥法和直接测量法[4]。电桥法测量较准确，但这种测量方法操作繁琐，不能在线测量且无法直接读出被测电阻阻值。直接测量法简单快速，但它不能克服引线电阻和触点电阻对测量结果的影响，不宜于用在测量微小电阻的场合[5]。为了方便在现场进行快捷、准确的测量，满足工程实际应用的需要，本文设计了一种基于交流恒流激励的微电阻测试仪。通过将交流恒流激励源经探针与待测电阻串接，有效地克服了探针引线电阻和接触电阻。选用AD620高阻低噪声放大器，减小探针与被测电阻的引线长度，以改善接触电阻对输出响应电压的影响，提高了测试准确度。

1 微电阻测试仪的硬件结构

1.1 测试仪结构

微电阻测试仪测量的微电阻为mΩ级，采用常规的两端子测量方法测量误差较大，设计采用四端子测量方式。测量时两端子施加频率为1 kHz的恒定交流激励电流信号，另两个端子用于测量。测试仪结构框图如图1所示，响应信号是指蓄电池注入交流恒流源后，在其两端测出的交流电压信号，压控恒流源的输入信号为由D/A产生的正弦信号。

图1 微电阻测试仪结构框图

1.2 供电电源的设计

测试仪的供电电路分别采用±5，±9,3.3 V供电。±9 V电源主要为功率放大电路供电，其工作电流大，电源输出功率稳定，系统采用4个4 700 μF电容并联充分滤波，以保证功放电路供电电源的纯净。3.3 V用于MSP430G2553单片机及DAC7811芯片供电，采用LM1117—3.3稳压芯片进行稳压。

1.3 交流恒流源的设计

为了获得足够大的微电阻感应电压，一般对于容量为数百Ah的蓄电池，40 mV就可以满足测试需求[6]。为了保证内阻有较高的测量精度，要求电流源有足够的稳定度，并且波形失真度要小。交流恒流源采用TIP122和TIP127达林顿管组成互补推挽式OTL功率放大电路，采用电流负反馈法产生精确交流恒流源法，交流恒流源电路原理图如图2。

图2 交流恒流源电路原理图

1.4 AD620微弱信号放大电路

系统采用高阻差分AD620仪表放大器构成微弱信号的前置放大电路，原理图如图3所示。由于前置放大器的高阻特性能够克服测试系统引线电阻的影响，但其高阻特性也是将噪声引入测量系统的主要方式。

图3 前置放大电路原理图

AD620仪表放大器由三个放大器共同组成，固定电阻为R，通过调整Rx来调整放大的增益值，其关系式如式(1)所示，使用时需注意避免每个放大器出现饱和现象

(1)

1.5 二阶低通滤波器的设计

系统采用OP07构成的巴特沃斯二阶低通滤波器。由一级RC滤波环节以及反相比例运算电路组成，其中10μF电容接至输出端，引入适量的负反馈，改善幅频特性，220μF电解电容使AD630的脉动直流信号更加平滑。低通滤波之后加了跟随器，降低A/D的输入电压。

1.6 显示电路的设计

显示电路采用MSP430G2553单片机作为控制器，将调理电路输出的信号送入单片机的I/O口进行A/D转换，结果通过QC12864B液晶显示器进行显示。

2 微电阻测试仪的软件设计

2.1 数字移相功能的程序设计

测试仪采用1kHz的交流电流作为注入电流，使用MSP430单片机编程实现频率稳定的1kHz正弦信号，并经整形后实现0°～180°的扫描移相功能，作为锁相放大电路的参考信号输入。软件流程图如图4所示。

图4 数字移相程序流程图

2.2 A/D转换程序

A/D转换程序在测量电池内阻的过程中，系统工作在两种状态。当ENA引脚为低电平时，系统处于测量状态，MCU和外围电路都处全速运行状态；当ENA引脚为高电平时，MCU处于低功耗状态和外围电路供电关断，并且全速状态的时间相当短，系统工作在突发状态。

2.3 LCD12864显示程序设计

系统采用QC12864B液晶模块作为单片机人机对话中的显示模块，主要实现显示A/D转换结果以及显示操作提示的功能，是含有简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。LCD显示子函数流程图如图5所示，主要包括了LCD初始化程序,汉字显示程序,ASCII码显示程序,混合式字符串显示程序等。

图5 LCD显示子函数程序流程图

3 系统的测试及结果分析

测试仪器：选择精度达0.05 %的专用阻抗测试仪和本测试仪。

测量方法：采用比对测试，采用所设计的微电阻测试仪对购买的标准电阻进行测试，通过多次测量取平均值的方法。将二者进行比较，得到修正系数，并将修正系数记录在MSP430的存储器中，以便测试仪在测量过程中实时修正。

测试对象：分别选用新购买的阻值范围10～100 mΩ的电阻。

测试过程：将激励源产生的1 kHz交流信号注入0.1 Ω电阻中，测试电阻两端的交流信号，观察被测电阻两端的响应信号。

测试结果：分别测得待测电阻的标准值和测量值，计算出绝对误差和相对误差，测试结果分析见表1。

表1 测试结果分析

测试结论：由表1中测试数据分析可知，测试系统基本能够达到设计要求，系统能够对10 ～100 mΩ电阻进行测量，测试性能稳定。

误差分析：测试系统的误差，还可以采用一定的措施加以改进，以减小系统的测量误差，提高系统的测量准确度。

1)对AD采样算法进行滤波处理以，剔除在采样过程中产生的误差数据。

2)采用标准微电阻测试仪器对系统进行校准，尽量多采集一些数据，取平均值作为标定值，降低系统误差。

4 结束语

本文所设计的微电阻测试仪选用1 kHz交流激励源，克服了交流注入法因50 Hz工频信号对测试设备产生的干扰；响应信号由高阻低噪声前置放大器放大，调理电路采用集成锁相放大技术，有效地抑制了噪声和外界干扰。测试仪采用分档位测试的方法，利用自动移相代替手动移相，使测试仪更智能化，同时降低测试系统的功耗，优化系统性能，使测试系统能够支持电池供电，便于操作和使用。通过对样机的测试和比对标称值，结果表明：该测试仪工作稳定，具有较高的测量准确度，方便携带和使用。

史 翔，张岳涛，王晓刚．基于AT89C51单片机微电阻测量系统．甘肃科技，2007，23(8)：31-32，216．

权晓红．基于AVR单片机的微电阻测试仪研究．自动化与仪器仪表，2015，185(3)：20-20，23．

申忠如，郭福田，丁 晖．现代测试技术与系统设计．西安：西安交通大学出版社，2006．

张 朵，许宜申，吴茂成,等．基于四线测量法的智能微电阻测试仪设计．电测与仪表，2015，52(10)：29-34，55．

王德银，张 晨．MSP430系列单片机实用C语言程序设计．北京：人民邮电出版社，2005．

王 冰，唐胜武，刘 慧．基于LabVIEW的铂电阻器自动测试系统．传感器与微系统，2012，31(12)：124-125，129．

Design of micro resistance testing instrument based on MSP430

ZHANG An-li, XIE Meng, WANG Juan

(Xi’an Jiaotong University City College,Xi’an 710018,China)

Operation of traditional methods of micro resistance measuring are complicated,and it has great influence on result of the micro resistance testing. The designed micro tester AC constant current source excitation based on the tester by AC excitation source,digital phase shifter circuit,signal conditioning circuit and A/D conversion and display circuit is composed of four parts. Micro resistance by AC excitation source into AC signal through high impedance low noise amplifier AD620 to extract the response signal,and then after AD630 phase-locked amplifier circuit which measured the true response voltage signal after locking to overcome the influence of noise and external electromagnetic interference in a large extent,can realize the accurate measurement of small resistance. Through the test and comparison of the prototype nominal value,results show that the instrument works stably,has high measuring accuracy,convenient to carry and use.

signal processing； micro resistance testing； AD630 PLL； low-power consumption

2016—07—15

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0112—02

TP 216

A

1000—9787(2017)06—0112—02

张安莉(1974-)，女，讲师，从事电子技术及信号处理工作。

谢 檬(1982-)，女，通讯作者，副教授，从事测控技术与仪器及智能仪器的设计工作，Email：123428296@qq.com。